并网型风光互补发电系统的研究现状

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并网型风光互补发电系统的研究现状

陈岚－史伟伟：

（１．华东电力设计院，上海２００００１：２．上海交通大学电气工程系，上海２００２４０）

摘要：介绍了并网型风光互补发电系统的结构和工作原理，详细论述了其研究和发展现状，在此基础上，分析了目前研究中存在的主要问题并提出了解决这些问题的思路。

关键词：并网型风光互补发电系统；储能；电流控制：同步；保护

随着经济的发展以及人口的增加，能源消耗快速增长，从而导致了能源短缺、环境污染、生态恶化等一系列问题。充分利用可再生能源，实现经济可持续发展，已成为世界各国的共识。在各种可再生能源中，风能和太阳能的利用最为广泛。风光互补发电系统

（Ｗｉｎｄ／ＰＶＨｙｂｒｉｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简称ＷＰＨＧＳ）利用风能和太

阳能在时间和季节分布上的互补性进行互补发电，输出功率稳定性好，应用前景广阔。ＷＰＨＧＳ分为离网型和并网型２种，前者的研究较多且技术相对成熟，后者的研究才ＩｑＪＪｌ目ｔＪ起步，有大量问题需要深入研究。

本文首先对并网型ＷＰＨＧＳ的研究现状进行简单总结，然后重点分析ＷＰＨＧＳ并网时存在的问题，进而提出解决的思路。

１

并网型ＷＰＨＧＳ的系统结构

ＷＰＨＧＳ主要包括光伏系统、风电系统、储能系统、直流母线、

Ｄｃ／Ａｃ等几个主要部分。光伏系统包括光伏阵列和ＤＣ／ＤＣ变换器，其中ＤＣ／ＤＣ变换器用于匹配光伏阵列雨１直流母线电压，并实现最大功率跟踪。风电系统包括风机、发电机和ＡＣ／ＤＣ变换器，其中ＡＣ／ＤＣ变换器用于将发电机发出的交流电转换成直流电并实现和直流母线电压之间的匹配，同时实现最大功率跟踪。储能系统包括储能装置和双向ＤＣ／ＤＣ变换器，其中Ｄｃ／ＤＣ变换器用于匹配储能装置和直流母线电压并实现储能装置的充放电管理。直流母线用于将系统各个部分集成在一起。ＤＣ／ＡＣ变换器用于将直流母线电压转换为交流电，并通过适当控制实现并网发电。２并网型ＷＰＨＧＳ的研究现状

最早的并网ＷＰＨＧＳ系统由相互独立的并网型风力发电系统和并网型光伏发电系统组成，采用耗能电阻投切抑制风电功率波

动［ＪＪ。随后出现了直流耦合并网型ＷＰＨＧＳ系统Ⅲ，该系统将风

力发电机组和光伏电池组通过直流母线连在一起，然后通过逆变器和交流电网连接。

同时，通过另一个逆变器为独立的交流负载供电，直流母线上并联蓄电池作为储能装置，该系统中风光互补系统是电网的后备电源。另一直流耦合并网型ＷＰＨＧＳ系统也采用直流耦合方式［３＿“，并且在蓄电池和直流母线问增加了双向ＤＣ／ＤＣ变换器，交流负载直接连接在并网逆变器的输出端。风力发电机组采用ＰＷＭ整流器实现最大功率跟踪，控制方法为功率反馈法。光伏接入采用ＤＣ／ＤＣ变换器实现最大功率跟踪，控制方法为增量电导法。并网逆变器采用同步ｄｑ坐标下的Ｐｌ控制，直流电压也采用ＰＩ控制。文中首次对并网型ＷＰＨＧＳ的工作模式进行了研究，提出了３种工作模式，即普通模式、功率调度模式和功率平均模式。

（１）普通模式下，不需要储能装置，直接将风光输出功率注入电网，这样做系统造价低，但注入电网功率波动大且不受控制。

（２）功率调度模式下，注入电网功率由调度命令确定，调度命

基金项目；博士点新教师基金编号：２００９００９２１２００４１

阂行区——上海交人区校合作专项资金资助

万方数据

令和风光实际输出功率的偏差由储能装置平衡，这样做系统造价高，但对电网冲击小且功率大小受控。

（３）功率平均模式下，注入电网的功率是风光输出功率的平均值，对储能装置容量要求低，但并网功率不受控制。

此外，文中设计了基于４８５总线的上化机监控系统。台湾学者［６。１设计了双端输入直流耦合变换器，该变换器结构简单，控制方便，但对光伏电池输出电堆、风机输出整流后的直流电压以及Ｄｃ／Ｄｃ变换器的输出电压有严格要求，即光伏电池输出电压＞Ｄｃ／ＤＣ变换器输出电压＞风机输出整流后的直流电压。此外，ＷＰＨＧＳ的仿真研究也有报道，如直流祸合系统仿真［８］和仿真了交流耦合系统［９】，其研究重点是各单元的建模和仿真方法。３并网型ＷＰＨＧＳ存在的问题及解决思路

并网型ＷＰＨＧＳ注入电网功率的不可预测性和波动性会对电网造成不良影响［Ｉ，］，需要配置一定容量的储能装置，目前最常用的是蓄电池。蓄屯池充、放电速度较慢，无法满足抑制风光功率快速波动的要求。此外，蓄电池充、放电次数有限，频繁地充、放电会缩短蓄电池寿命。超级电容具自‘充放电速度快、电流大、次数多等优点，但容量有限。可以考虑设计蓄电池和超级电容的混合储能系统。

蓄电池和超级电容可以直接并联，也可以通过ＤＣ／ＤＣ变换器相联。前一种方法蓄电池和超级电容电压相等，不能充分发挥超级电窖的优势；后一种通常用于电动车，不适合在ＷＰＨＧＳ中直接应用。在并网型ＷＰＨＧＳ中，应该考虑为蓄电池和超级电容分别设计Ｄｃ／Ｄｃ变换器，这样可对充放电电流进行独立摔制。也更能充分发挥两者的优势。

并网逆变器的电流控制主要有各种坐标下的ＰＩ控制、滞环控制、预测和无差拍控制。ＰＩ控制中，如果选择同步坐标，则参考电流为直流量，ＰＩ控制器可以消除摹波电流稳态误差。静止坐标系下，由于ＰＩ控制器在基波频率处的增益不是无穷大，所以基波电流存在稳态误差。对于低次谐波，无论在同步坐标还是静Ｊ｝＝坐标下，都不是直流量，因此如果电网电压或直流电压存在谐波，则并网电流一定包含相应谐波。传统的滞环控制由于开关频率不恒定，所以即使没有扰动，并网电流中也存在低次谐波。恒频滞环控制由于要实时计算滞环宽度，计算量很大，特别当参考电流无法预测时，无法计算滞环宽度。基于定时采样的限频滞环控制，限制最大开关频率为采样频率的１／２，开关频率不恒定。预测希Ｉ无差拍控制的鲁棒性不强。为此可以设计基于调制技术的滞环控制，基本思路是将滞环比较器的输出进行调制，从而使开关频率恒定，而滞环控制本身对电网畸变和直流电压波动具有很强的鲁棒性，所以这种方法可以消除并网电流的低次谐波。

并网逆变器控制中的另一个问题是同步。目前常用过零比较、电网电压衰减和锁相环技术进行同步。过零比较在电网电压畸变时偏差很大。电压衰减在电网电压存在畸变时会引入误差，锁相环技术虽然能够较好地抑制电网电压畸变的影响，但电压不平衡时存在较大误差。可以考虑采用基于瞬时无功理论的同步方法。基本思路是建立标准三相正弦波，然后将其作为虚拟电网电流和电网

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